大跨度鋼箱拱橋纜索吊系統設計與施工研究

潘興良

中鐵七局集團有限公司 河南 鄭州 450006

1 引言

鋼箱拱橋具有造型美觀、結構簡潔、受力性能良好、安全可靠等優點[1-2]，近年來在我國橋梁領域快速發展。在鋼箱拱橋的施工中，拱肋架設是風險最高、難度最大的關鍵工序，傳統拱肋架設方法有整體提升法、纜索吊機法、轉體施工法、支架法等[3-4]，其中，纜索吊因其效率高、適應性廣、跨越能力強及對環境影響小等優點，在大跨徑拱橋施工中應用最為廣泛。據統計，我國已建及在建拱橋中約有60%采用纜索吊裝法施工[5]。

纜索吊系統安全性是保障拱肋架設順利實施的關鍵，目前針對纜索吊系統設計與施工受力分析的研究已較為全面。黎卓勤等[6]設計了主扣合一的獨立式鋼管塔架，并通過實例論證了其可行性。劉巍等[7]設計采用雙向纜索吊裝系統，實現了寬幅拱橋的無死角吊裝拼接。郭常瑞等[8]充分考慮承重索的滑移，建立了靜力平衡方程和迭代計算方程，更為準確地計算了纜索吊跨中起吊高度。施洲等[9]考慮了主索滑移及塔架偏位，通過有限元模型分析了纜索施工支架非線性受力特征。孫九春等[10]利用有限元軟件建立仿真模型，分析了纜-拱-索-塔在整個施工過程中的力學特性，為結構設計提供了有效參考。

現有研究中的纜索吊系統大多采用對稱布置形式，且索塔為主塔、扣塔分離結構，各體系均具有良好的獨立工作條件，而少有研究關注到主扣塔合一的復雜受力特點。本文以新灘溪特大橋為背景，依據大橋所處地形、地貌、地質條件，設計單索塔不對稱式纜索吊系統和主扣塔一體化索塔，并基于上述研究對纜索吊裝系統的安全性、穩定性進行計算分析，為纜索吊系統布設和鋼箱拱橋拱肋架設提供了先決條件。

2 工程概況

2.1 工程簡介

新灘溪特大橋位于水富至綏江二級公路新灘溪道路修復工程段，是為跨越新灘溪淹沒區而設的重要控制性工程。大橋設計采用中承式鋼箱拱橋，橋面全長179.45 m，寬10 m，矢高37.778 m，矢跨比1/4.5，拱軸線為懸鏈線，拱軸系數1.37。全橋拱肋計算跨徑170 m，采用等截面鋼箱型截面，寬度2.0 m，高度3.0 m（內輪廓），全橋拱肋設五道I型風撐，兩片拱肋通過5道一字型風撐連為一體，大橋總體布置如圖1所示。

圖1 大橋總體布置圖

2.2 工程難點

新灘溪特大橋所處區屬河流侵蝕堆積地貌，地勢起伏較大，地質復雜，上覆第四系覆蓋層厚度變化大，下伏巖體為灰巖、泥質粉砂巖，受地質構造影響，其風化差異明顯，造成巖體破碎、巖層軟硬不均，施工場地狹小，索塔布置困難。橋梁跨越向家壩水庫區溝谷段，在蓄水期溝谷水位較高，給纜索吊施工與拱肋架設帶來了極大的不便。

3 纜索吊方案設計

3.1 總體設計

根據詳細的地質勘查報告發現，新灘溪特大橋水富岸橋臺一側地形較平緩，而綏江岸橋臺一側自然坡度陡。為充分利用地形地貌條件，大橋拱肋架設采用單索塔不對稱式布置的無支架纜索吊系統，在水富岸一側布置主扣塔一體化索塔，綏江岸則利用山體的巖錨技術將地錨設置在隧道洞頂的山體上。纜索吊裝系統總體布置如圖2所示。

圖2 纜索吊裝系統總體布置

3.2 纜索吊系統組成

新灘溪特大橋纜索吊系統由主索、工作索、索塔及錨固體系等部分組成，具體內容如下：

（1）主索。全橋設計兩組主索，布置于拱肋正上方，主索設計跨徑為120 m+260 m，橫向間距12.6 m，纜索在施工中的最大荷載垂度為18.7 m，垂跨比為1/14，最大吊重300kN。

（2）工作索。工作索主要包含起重索、牽引索、纜風索、扣索等部分。起重索與牽引索布置在兩拱肋上方靠內側位置，以保證工作吊籃能夠上下起吊；纜風索分別布置于索塔高度26 m處、38 m處和索塔頂，通過上下三層纜風繩有效控制塔架位移和拱肋偏位，提高索塔穩定性；扣索設計采用破斷強度為1860MPa的高強低松弛鋼絞線，由于大橋每半跨拱肋分為10個吊裝節段，故設計采用交替布置的5組臨時扣索和5組永久扣索來避免扣索間產生相互干擾，以保障結構安全。其中，臨時扣索可循環使用，采用4根鋼絞線張拉設置，永久扣索則根據設計方案采用不同根數的鋼絞線張拉設置。

（3）索塔。通過實地考察地形地貌，設計僅在水富岸一側設置主扣塔一體化索塔，以解決施工場地狹小的問題，并通過設置鉸支座消除主扣塔高差與塔架偏位對纜索吊系統安全性的影響。索塔設計高為64.04 m，主塔架采用Q345鋼管作為主承重結構，其中每半幅塔采用4根間距為3m×3m的立柱矩形布置，且立柱間采用鋼管桿件進行水平與交叉斜撐布置，以構成格構體系，增強索塔穩定性。

（4）地錨。水富岸主地錨布置于索塔后方120m處的路基上，扣索地錨分別布置于索塔后方52 m處和105 m處，錨碇均位于橋梁軸線上；綏江岸地錨采用山體巖錨，錨碇位于橋梁軸線方向隧道頂上，與水富岸索塔頂標高一致。

4 纜索吊系統計算分析

4.1 扣索計算分析

新灘溪特大橋纜索吊系統采用主扣塔一體化索塔進行布設，扣索索力的準確計算可有效保障施工質量與安全，對索塔及拱肋穩定性具有重要意義。根據設計及現場實際情況分析，該橋采用單肋合龍安裝方案，兩岸按順序對稱安裝，最后安裝合龍段。

采用Midas Civil軟件對單拱肋扣索進行有限元分析，將其簡化為平面桿系結構，拱肋節段離散為梁單元，扣索采用桁架單元建模，其有限元模型如圖3所示。

圖3 扣索有限元模型

大橋每半跨拱肋分為1 0個吊裝節段，編號為CS01～CS10。拱肋安裝過程中，設置5組臨時扣索和5組長久扣索，由拱腳向拱頂依次編號，臨時扣索編號依次為T1、T3、T5、T7、T9，長久扣索編號依次為T2、T4、T6、T8、T10。通過有限元法分別計算分析水富岸和綏江岸兩岸拱肋吊裝過程中各扣索的索力值，分析結果如表1、表2所示。

表1 水富岸扣索索力分析表

表2 綏江岸扣索索力分析表

通過上述計算分析可知，合龍段施工時其扣索力值最大，其中水富岸最大扣索力為771.0kN，安全系數為2.01；綏江岸最大扣索力為1018.9kN，安全系數為2.03。拱肋架設時各扣索安全系數均大于2.0，滿足《公路橋涵施工技術規范》JTGT 3650-2020要求。

4.2 索塔計算分析

大橋索塔采用主扣塔合一的結構形式，受力復雜，而其作為纜索吊系統中的主要承重構件，強度、剛度、穩定性與施工質量和安全息息相關。因此，準確計算分析其受力特性至關重要。運用Midas Civil有限元軟件對索塔進行模擬分析，模型節點個數311，單元數量470個，塔架纜風索采用只受拉桁架單元，其余均采用梁單元進行數值模擬分析，塔底部采用固結約束，索塔有限元模型如圖4所示。

圖4 索塔有限元模型圖

4.2.1 索塔強度分析

索塔在各工況下受到自重、主索、扣索、起重索、牽引索、纜風索及縱向風力的共同作用，根據橋區風力研究成果與《公路橋梁抗風設計規范》JTG/T 3360-01-2018計算橋梁設計基本風速為28.2m/s。分別對不同位置拱肋節段吊裝時索塔的受力情況進行計算分析，工況一：跨中重載狀態；工況二：安裝1號節段，即CS01施工階段。索塔受力情況如表3所示。

表3 索塔受力情況

由表3數據可以看出，索塔豎向力在跨中重載情況下（工況一）最大，索塔構件強度、剛度由荷載工況一控制。表中水平力出現負值表示塔柱向跨中偏移，可利用扣索和風纜承擔索塔上的不平衡水平力，以增強索塔的安全性。進一步利用有限元法對塔架的強度進行計算分析，在強度計算荷載組合工況下，主塔架承重鋼管組合應力分析結果如圖5所示，主塔架水平桿、斜聯桿組合應力分析結果如圖6所示。

圖5 塔架承重鋼管組合應力云圖

圖6 塔架水平桿、斜聯桿組合應力云圖

分析圖5、圖6可知，主塔架承重鋼管最大壓應力為136.7MPa＜[f]=305MPa，主塔架水平桿、斜聯桿最大拉應力為54.2MPa＜[f]=215MPa，索塔構件強度均滿足《鋼結構設計標準》GB50017-2017的要求。

圖6 索塔前4階失穩模態

4.2.2 索塔穩定性分析

索塔的一體化將會加劇塔架的失穩變形，采用線性屈曲理論對該索塔進行特征值穩定分析，在自重、主索、牽引索、起重索、纜風索、扣索等作用下進行索塔整體穩定性分析計算。索塔在不變荷載和可變荷載工況組合下，前4階失穩模態分析結果如圖7所示。

分析圖7可知，索塔1階失穩模態至4階失穩模態的穩定系數分別為5.6、31.8、34.5、35.3，1階失穩系數大于3，即塔架有較高的整體穩定安全系數，塔架整體穩定性滿足《公路橋涵施工技術規范》JTGT 3650-2020的要求。

5 纜索吊系統施工研究

5.1 施工流程

新灘溪特大橋采用無支架纜索吊系統進行施工，纜索吊系統為單索塔不對稱式布置，即只在水富岸橋臺處設置索塔，綏江岸直接錨固在隧道洞頂上方的山體上。鋼箱拱肋、風撐、吊桿、格構梁、橋面板等構件均采用纜索吊系統安裝。纜索吊系統的施工流程如圖7所示。

圖7 纜索吊施工流程

5.2 施工要點

5.2.1 索塔施工

索塔構件主要分為立柱鋼管、斜撐及橫撐格構桿件、交叉橫向連接桿件，所有構件單元均在廠內生產加工，后運輸至施工現場吊裝安裝，且每個構件端頭均設置法蘭盤，以便于現場施工。索塔底部作為受力薄弱位置，通過設置斜撐和橫連桿來提高索塔的穩定性，且為了控制索塔的水平位移，分別在索塔上設置三層纜風繩，以承擔索塔的不平衡水平力，保障索塔的安全性。

5.2.2 扣索施工

根據拱箱安裝節段劃分，全橋拱肋共計42個吊裝節段，每側設置10個扣段吊裝合龍，鑒于纜索吊系統采用主扣塔一體化索塔，索塔空間有限，故設置5組可循環使用的臨時扣索和5組永久扣索交替布置，以避免扣索間相互影響。扣索的張拉、放松按照分級、對稱、同步的原則進行，以標高控制為主，同時兼顧索力。為了有效控制扣索的安裝精度，每一扣段安裝后需及時進行調索作業，包括拱肋軸線、拱肋高程的調整，以避免拱肋線形與標高的誤差過大，影響結構安全。

5.2.3 纜索吊系統試吊

纜索吊系統安裝后，需進行試吊檢驗其工作性能，確保纜索吊系統可順利投入施工使用。試吊項目包括空車調試、靜載試驗和動載試驗三部分，通過空車調試檢驗纜索吊系統安裝誤差及設備性能狀況；通過靜載試驗對纜索吊系統進行全面檢查，并采用逐步加載的方式進行動載試驗，檢驗纜索吊系統各部位的受力情況。通過纜索吊試吊工作全面檢驗了系統的結構安全性與穩定性，為新灘溪特大橋拱肋架設高效施工提供了有利保障。

5.2.4 鋼箱拱吊裝施工

拱肋吊裝由工廠加工成吊裝節段，運輸至現場后從綏江岸橋臺處起吊安裝，全橋拱肋架設均采用纜索吊系統，且按照兩點抬吊、正吊正扣、斜拉扣掛、懸拼小豎轉的原則進行吊裝施工。拱肋安裝由拱腳向跨中對稱、同步安裝，待左、右幅同一節段安裝就位后，及時連接臨時橫撐以形成穩定結構，并采用扣索和纜風索進行固定。

6 結束語

本文以新灘溪特大橋為背景，充分利用橋區所處地形地貌，設計了一套纜索吊系統，通過建立有限元模型分析扣索、索塔等系統的受力特征及安全性，為后續纜索吊施工與拱肋架設提供理論與實踐支撐。具體的研究結果如下：

(1)根據大橋橋址地形、地貌、工程地質條件，纜索吊系統設計采用單索塔不對稱式布置，僅在水富岸一側設置主扣塔一體化索塔，節約施工場地，減少了塔架設備的投入，提高施工效率。

(2)為避免扣索之間相互影響，每側拱肋設置5組永久扣索、5組可循環使用的臨時扣索，通過有限元分析得出所有扣索的安全系數均大于2，扣索安全性良好。

(3)索塔采用主扣塔一體化結構，索塔構件的強度、剛度由跨中重載情況控制，在荷載組合工況下，索塔的強度、剛度、穩定性均滿足規范要求，且有一定的安全余量。

(4)基于工程重難點與纜索吊施工流程詳細分析了纜索吊系統的施工要點，保障纜索吊施工安全，為后續類似工程施工提供了一定參考。